考虑“拱效应”的圆形基坑支护结构现场监测试验分析

罗 辑，屠 越，顾卫兵

(国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏南京 210000)

基坑工程作为一切建筑工程的基础，其重要地位愈加显著。圆形支护作为一种特殊的基坑支护类型，具有明显的空间“拱效应”，能够将围护结构受到的土压力转化为环向应力，减弱支护结构的变形。基坑监测[1-4]包含支撑内力和基坑变形两大类，所获得的监测数据可以判断基坑的安全程度。在圆形支护结构受力变形研究中，Tan[5]等对上海大直径圆形深基坑进行监测，发现随着基坑的开挖，支护结构所受应力增加，当开挖至基坑底部时，围护结构应力达到最大值。宋青君[6]等通过分析监测数据发现圆形地下连续墙的径向位移明显小于同等条件下的条形地下连续墙的侧向位移。刘春源[7]等对软弱土层的地下连续墙进行监测，发现严格控制施工工序，是减小结构倾斜侧移的最有效方法。黄海云[8]等分析环球金融中心塔楼圆形深基坑工程的监测数据，证实了100 m圆形深基坑中的“拱效应”效果依旧显著。刘波[9]依托“上海中心”塔楼深大圆形基坑实测数据，分析了基坑施工中的受力与变形特性，发现土方开挖均匀、地面车辆荷载分布、环撑对称是影响圆形支护结构受力与变形的重要因素。在基坑地表沉降方面，武立波[10]对圆形地连墙基坑在施工过程中的监测数据分析，发现当圆形支护结构嵌入岩石层时，其相应的侧向位移与地表沉降均显著降低。孙文怀[11]等对圆形基坑沉降监测数据进行分析，发现地表沉降主要受降水、开挖深度与施工速度的影响。

1 工程概况

本工程位于南京市江宁区将军大道与绕越高速交叉位置，共计两座顶管井，顶进工作井、接收井各一座，间距158 m。圆形工作井位于绕越高速南侧，外径9.0 m，内径7.0 m，结构高为10.8 m，井壁厚0.5 m，底板厚0.6 m。圆形接收井位于绕越高速北侧，外径9.0 m，内径7.0 m，结构高为10 m，井壁厚0.5 m，底板厚0.6 m。工作井与接收井均为钢筋混凝土结构，采用逆作法施工。接收井采用高压旋喷桩为止水帷幕，钻孔灌注桩为主要的支护结构，通过内部的混凝土侧墙与上部锁口将其所有的灌注桩连接成一整体，共同构建成圆形基坑支护结构。

根据本次勘测调查结果及已有工程地质资料显示，接收井勘探深度范围内的地基土主要由1-2填土、2-1粉质黏土、3-1粉质黏土、3-2粉质黏土和5-1强风化泥质粉砂岩组成。具体基坑开挖与支护设计参数见图1、表1。

图1 接收井周围土层剖面(单位：m)

2 现场试验

2.1 设计方案

根据对基坑周边环境、土质条件及开挖深度等方面综合考虑，结合类似工程经验，制定接收井的支护方案。

接收井外围为直径600 mm，水平间距400 mm，桩体搭接200 mm的高压旋喷桩做止水帷幕，桩长为11.1 m，采用双重管法。中间采用直径800 mm，水平间距1 000 mm，混凝土强度等级C30的钻孔灌注桩作为支护结构，桩长为16.0 m。支

表1 基坑开挖与支护设计参数

护结构外径为9 m,内径为7 m，桩顶部采用宽为1 m，高为1 m的C30钢筋混凝土冠梁，其内部采用C30钢筋混凝土做侧墙，不设置内支撑。接收井基坑平面图如图2所示，接收井基坑剖面如图3所示。

图2 收井基坑平面(单位：mm)

图3 接收井基坑剖面(尺寸单位：mm；高程单位：m)

2.2 监测内容

为确保工程及其周边环境的安全，施工时从以下几个方面进行监测：

(1)接收井桩体深层水平位移监测。

(2)接收井表面水平位移。

(3)接收井周围表面沉降监测。

(4)基坑外地下水位监测。

根据相关测量规范，结合现场施工要求，进行监测点位的布设。如图4所示，深层水平位移共布置了四个点：CX-1、CX-2、CX-3和CX-4，均布在圆形接收井边上，埋设深度为16 m。在临近基坑冠梁的边上布置了两个水位监测点，标号SW-1、SW-2。根据相关规范并结合现场情况，接收井表面水平位移监测点与地表沉降点共用一个测点，标号CJ-1、CJ-2、CJ-3和CJ-4。

图4 基坑施工监测平面

2.3 监测数据分析

2.3.1 深层水平位移监测数据

对测斜点位CX-1、CX-2、CX-3和CX-4的数据进行分析，得到不同工况下灌注桩的深沉水平位移变形曲线，如图5～图8所示。变形曲线从下到上逐渐增大，呈现为向坑内的抛物线发展，主要表现为下面小、中间大，上面收敛的“山丘”形式。

图5 测斜孔CX-1位移随深度变化曲线

图6 测斜孔CX-2位移随深度变化曲线

图7 测斜孔CX-3位移随深度变化曲线

图8 测斜孔CX-4位移随深度变化曲线

以CX-1为例，当开挖至2.1 m时(工况1)，最大深层水平位移为0.42 mm，此时，深层水平位移并不大；开挖至5.1 m时(工况2)，最大深层水平位移为3.2 mm，桩顶的位移开始受到限制，桩顶处位移为2.4 m，两者相差25.0 %；开挖至8.1 m时(工况3)，最大深层水平位移为5.69 mm，桩顶处位移为4.0 m，两者相差29.7 %；开挖至11.1 m时(工况4)，最大深层水平位移为11.5 mm，桩顶处位移为7.2 m，两者相差37.4 %。可以看出，随着工况的增加，最大深层水平位移增长速率逐渐加快，这是土体开挖应力释放的结果；桩顶位移的限制逐渐加大，这是冠梁“拱效应”影响的结果，可以看出，开挖深度的增加会导致圆形基坑 “拱效应” 的增强。

冠梁有效连接每根灌注桩，使灌注桩产生一定的空间约束能力，即圆形基坑的“拱效应”，有效限制了灌注桩向坑内变形。CX-1、CX-2、CX-3、CX-4的最大位移依次为11.5 mm、10.9 mm、12.6 mm、7.5 mm；CX-1、CX-2、CX-3、CX-4的顶部位移依次为7.2 mm、7.1 mm、8.1 mm、7.5 mm；由于冠梁所产生的“拱效应”使得其变形相较于最大深层位移减少了37.4 %、34.9 %、35.7 %、37.0 %，在一定程度上反应“拱效应”能有效减少围护结构的变形。

2.3.2 表面水平位移监测数据

由图9可以看出，表面水平位移曲线变化趋势较为平缓，局部会出现陡峭的情况，这是正常的。当开挖深度较小时，水平位移变化不大，随着基坑不断开挖，变形量逐次增加，这是土体应力释放的结果。当开挖结束后，由于施工现状不变，导致变化又趋于平缓。总体来说，接收井表面水平位移变化不大，呈 “阶梯”走势。

图9 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4表面水平位移累计值随时间变化曲线

以CJ-1为例，当开挖至2.1 m时(工况1)，最大表面水平位移为0.41 mm，开挖期间，表面水平位移变化速率最大为0.12 mm/d，变化速率不大；当开挖至5.1 m时(工况2)，最大表面水平位移为2.30 mm，开挖期间，表面水平位移变化速率最大为0.36 mm/d，变化速率是整个开挖过程最大的；当开挖至8.1 m时(工况3)，最大表面水平位移为3.33 mm，开挖期间，表面水平位移变化速率最大为0.20 mm/d；当开挖至11.1 m时(工况4)，最大表面水平位移为7.03 mm，开挖期间，表面水平位移变化速率最大为0.33 mm/d。随着工况的增加，表面水平位移的速率先增大后减小，这与一般基坑位移发展略有不同，究其原因是随着基坑深度的增加，冠梁产生的 “拱效应”得到加强，在一定程度上限制了表面水平位移的发展。

当工况4时CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4测点的地表水平位移最大，依次为7.03 mm、6.95 mm、8.04 mm、7.24 mm。其中CJ-1最大变化速率为0.36 mm/d，发生在工况2；CJ-2最大变化速率为0.40 mm/d,发生在工况2；CJ-3最大变化速率为0.40 mm/d,发生在工况4；CJ-4最大变化速率为0.41 mm/d,发生在工况2。以上数据远小于其相应的监测预警值，基坑较为安全。

2.3.3 地表沉降位移监测数据

由图10 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4地表沉降位移累计值随时间变化曲线，可以看出，累计沉降量呈现“阶梯”型增长，当工况4时，CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4监测点的累计最终沉降量为11.41 mm、11.28 mm、12.28 mm、12.52 mm，其中CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4监测点沉降最大速率为0.68 mm/d、0.64 mm/d、0.72 mm/d、0.75 mm/d，远小于其相应的监测预警值，并未出现较大的不均匀沉降，工程较为安全，满足基坑使用要求。

图10 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4地表沉降位移累计值随时间变化曲线

以CJ-1为例，当开挖至2.1 m时(工况1)，最大地表沉降位移为0.82 mm，开挖期间，地表沉降位移变化速率最大为0.38 mm/d；当开挖至5.1 m时(工况2)，最大地表沉降位移为2.69 mm，开挖期间，地表沉降位移变化速率最大为0.48 mm/d；当开挖至8.1m时(工况3)，最大地表沉降位移为5.05 mm，开挖期间，地表沉降位移变化速率最大为0.46 mm/d；当开挖至11.1 m时(工况4)，最大地表沉降位移为11.41 mm，开挖期间，地表沉降位移变化速率最大为0.42 mm/d。当基坑开挖至相应标高时，产生的沉降速率较大；当相应标高开挖结束时进入侧墙施工时，其相应的沉降增长速率渐入缓慢。可以看出，冠梁的“拱效应”对表面水平位移影响不大，其变化规律与一般基坑相似。可能是土体应力释放与灌注桩侧移这两部分的原因让冠梁“拱效应”的表现作用不明显。

2.3.4 地下水位监测数据

由图11 地下水位SW-1、SW-2随时间变化曲线可以看出，水位随时间变化曲线比较平缓，SW-1测点的最大水位为-5.50 m，最大变化范围是0.4 m，相对于初始水位最大下降了0.07 m；SW-2测点的最高水位为-3.58 m，最大变化范围是0.32 m，相对于初始水位最大下降了0.04 m。两测点在2019年10月16日水位均达到最大值，是13～16日三日暴雨所致。在基坑开挖的过程中，水位呈现一定的波动，总体来看，水位呈下降趋势，但下降幅度较小，最大水位变化值小于监测预警值，可以看出本工程中的高压旋喷桩止水效果较好。

值得注意点的是，SW-1、SW-2的水位高差将近2 m，其主要原因是SW-1地处基坑的最高地势，而SW-2地处基坑地势较低，这造成了两者水位的差距。

图11 地下水位SW-1、SW-2随时间变化曲线

3 结 论

(1)深层水平位移曲线从下到上逐渐增大，且变化速率也逐渐增大，由于只有冠梁而没有内支撑，曲线呈现为下面小、中间大，上面收敛的“山丘”抛物线形式。随着工况的增加，CX-1最大深层水平位移增长速率先增大后减小，可以看出，开挖深度的增加会导致圆形基坑 “拱效应” 的增强。

(2)表面水平位移曲线变化趋势较为平缓，局部会出现陡峭，呈“阶梯”走势，这是随着基坑的开挖(工况1～工况4)应力释放的结果，符合一般基坑变形规律。结合深层水平位移数据分析发现，圆形基坑变形向基坑内发展，不是完全轴对称的，也未发生整体向某一方向倾斜。

(3)地表沉降位移曲线呈 “阶梯”形式平缓增加，当基坑开挖时，其变化速率增大，随着基坑开挖深度的增加，土的应力释放得到加强，同时灌注桩的侧移也会使得地表沉降进一步的发展。各测点的最终沉降值基本相当，并未出现不均匀沉降，当基坑停止开挖时，其累计沉降量逐渐趋于平缓并不再增加。

(4)水位变化曲线走势较为平缓，总体来看，水位呈下降趋势，但下降幅度较小。相应测点的最大变化范围均在0.5 m之内，符合相关要求。本工程中的高压旋喷桩止水效果较好。